2.1　多级孔材料概述

目前，尽管不同孔径尺寸的多孔材料在结构设计和形貌调控等方面取得了很大的进展，然而微孔、介孔和大孔材料在许多应用领域各有优缺点。例如微孔材料因其具有较小的孔道尺寸、较高的水热稳定性、较窄的孔径分布以及较多的催化活性位点等优点，能够对某些材料进行分子级别的筛选。微孔材料可以根据孔径本身与分子直径大小的匹配程度来控制分子的出入，而有机大分子或生物大分子由于其尺寸相对微孔过大而很难在其孔道内进行扩散与传输，使其不适用于大分子化合物的分离和催化反应等。微孔材料的上述特点限制了其只能应用于涉及小分子的领域。介孔和大孔的引入解决了微孔材料孔径尺寸小的限制问题，介孔材料和大孔材料不仅具有可以提供物质进行催化和吸附作用时所需要的孔尺寸与结构，而且还提供了物质传输过程中所需要的较大孔道结构。大孔结构对大分子具备良好的运输性质，尤其是对于微孔无法传输的聚合体、生物大分子或高黏度系统，大孔的运输优势尤为明显。

多级孔材料是具有两种或两种以上不同孔径结构的一种新型多孔碳材料。最初是人们在合成大孔材料过程中，发现大孔材料具有足够厚度的孔壁，而后通过各种策略设计合成出孔壁由介孔或微孔组成的大孔材料，使得多级孔材料作为一种新兴材料真正成为多孔材料领域的研究热点。根据孔径分布和类型，多级孔材料可以是二级孔，如（Ⅰ）微孔-介孔、（Ⅱ）微孔-大孔、（Ⅲ）介孔-大孔，也可以是（Ⅳ）微孔-介孔-大孔同时存在的三级孔结构。此外，多级孔材料体系中还可以包括同种类型但是不同尺寸的同级孔结构，比如微孔-介孔-介孔复合孔材料、介孔-介孔-大孔复合孔材料。典型的多级孔材料的分类示意图如图2.1所示。

图2.1　多级孔材料的分类示意图

多级孔材料可以综合各级孔材料的优点：一方面，微孔和介孔对客体分子的大小和形状具有选择性，提高主客体分子之间的相互作用；而大孔结构能够促进客体分子扩散到活性位点，对于大分子的扩散非常重要。另一方面，微孔和介孔能够保持高的比表面积，相互贯通的大孔可以实现液体或气体的高通透性，从而达到良好的吸附效果和分离性能。因此，多级孔材料从结构上避免了孔径较小时气体和液体扩散效率低，而孔径较大时又会因为比表面减小导致吸附分离能力降低的问题。这些特点决定了多级孔材料具备高的扩散性、高的吸附能力和高的接触面积，使其在扩散、传质、吸附和分离等方面应用时具有优越于单一孔材料的独特优势。近年来，随着研究的不断深入，设计和开发具有可控孔道结构的多级孔材料一直是材料科学研究的重要领域之一。